六段制三维水平井轨道优化设计与应用

胥豪 牛洪波 牛似成 王翔 孙荣华

1.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；2.中石化华北油气分公司工程技术研究院；3.中石化胜利油田分公司新春采油厂

六段制三维水平井轨道优化设计与应用

胥豪1牛洪波1牛似成2王翔2孙荣华3

1.中石化胜利石油工程有限公司钻井工艺研究院；2.中石化华北油气分公司工程技术研究院；3.中石化胜利油田分公司新春采油厂

三维水平井技术有利于解决油气藏地面条件限制，提高井网部署质量，提高油气藏综合开发效率，具有明显的优势。通过对4种常见三维轨道计算模型进行分析，优选出斜面圆弧法作为三维水平井计算模型，并对三维水平井轨道形式进行优化，提出六段制水平井设计方法，以克服油藏垂深和造斜率2个不确定因素。该设计方法在JH17P25井进行了应用，完钻井深2 235 m，偏移距425 m，扭方位井段347 m，扭方位49.30°，现场施工顺利，轨迹符合率高，克服了油藏垂深的不确定性，取得了较好的应用效果，为后续三维水平井设计和施工提供了经验。

三维水平井；井眼轨道；斜面圆弧；油藏垂深；不确定性

近年来，随着非常规井工厂模式的开发应用，三维水平井得到了越来越多的应用。开发实践证明三维水平井钻井技术是解决地面工程受限，优质、高效开发低孔、低渗油气藏的有效技术之一［1-2］。采用三维水平井组有利于最大限度地暴露油气层，增大油气藏泄流面积，提高井网部署质量，从而提高油气藏采收率，达到经济、高效开发油气藏的目的。

不同的油田对三维水平井有着不同的实践，在理论方法、轨道设计等方面也存在着不同的认识。部分地区由于特殊的地质条件，特别是油层垂深不确定性和地层造斜率不确定性等的影响，容易导致井眼轨迹入靶困难，因此有必要进行相关的研究和实践。

1 井眼轨道计算模型优选

Optimization of well trajectory calculation model

目前常见的三维水平井井眼轨道设计模型主要有圆柱螺线、斜面圆弧、自然参数、恒装置角等［3-6］。圆柱螺旋线法假设井眼轨道在垂直剖面的曲率γH和水平剖面上的曲率γV分别保持为常数，其所描述的井眼轨道是一条等变曲率角的圆柱螺线，该模型的显著特点在于垂直剖面图和水平投影图上井眼轨道均为圆弧。斜面圆弧法所描述的井眼轨道是一段位于空间斜平面内的圆弧，该模型的特点在于井眼曲率γ保持常数，其垂直投影图和水平投影图都是椭圆弧。自然参数法假设井眼轨道的井斜变化率γa和方位变化率γϕ分别保持为常数，这种假设条件下井眼轨道的水平投影图和垂直投影图均为圆弧。恒装置角（工具面）法假设井眼曲率γ和装置角w分别保持常数，它所描述的井眼轨道在垂直剖面上是一段圆弧。

结合目前石油钻井施工工艺，其通常采用“单弯动力钻具+MWD（随钻测量仪器）”的钻具组合进行井眼轨道的控制，通过优选合适度数的单弯动力钻具来达到一定的造斜率，通过MWD来监测实钻装置角的变化情况。因此，假如能够以一个稳定的造斜率和装置角钻进即完成三维水平井施工，则应当是一个简单的施工思路，那么根据上面的分析情况，恒装置角法应当是三维水平井施工的最佳选择。但是现场实际施工过程中，即使通过MWD进行随钻监测，也很难确保装置角恒定，再者还会出现实钻造斜率与设计造斜率存在偏差、实钻井眼轨迹与设计存在偏差的情况，则待钻井眼需要改变装置角钻进，因此现场很难在扭方位井段通过保持装置角稳定的方式钻进出需要的井眼。如果仅仅要求井眼曲率γ恒定，而允许装置角w变化，则斜面圆弧法可以满足三维水平井施工的要求，现场施工过程中通过优选动力钻具、采取滑动钻进和复合钻进交替进行等方式来确保井眼曲率基本稳定，通过MWD监测装置角变化，并通过测斜计算进行待钻轨道设计，通过调整装置角对井眼轨迹进行控制，钻出满足要求的井眼。圆柱螺线法和自然参数法井眼曲率k和装置角w均在变化，现场施工时如果每个井段的井眼曲率和装置角都在不停变化，则井眼轨迹控制难度会大大增加，因此不适宜选用。

石油大学韩志勇教授对4种方法进行了试算，根据试算结果，斜面圆弧曲线具有曲率最小、井段最短等优点［7］，因此，推荐采用斜面圆弧法进行三维水平井轨道设计和施工。

2 井眼轨道设计方法优化

Optimization of well trajectory design method

根据以上优选结果，三维水平井宜采用斜面圆弧方法，但目前三维水平井井眼轨道设计多采用五段制设计方式，即“直—增—稳—增（扭）—平”的设计方式，第二增斜段（增斜扭方位井段）设计至靶点，即水平井着陆点，但现场进行应用时普遍存在着两个不确定性，即油藏地质垂深不确定性和工具造斜率不确定性，这就使得实际钻井过程中不可避免地要对井眼轨迹目标进行调整，对于普通二维水平井而言，垂深的调整只意味着井斜的变化，动力钻具的造斜率仅需要满足井斜的调整即可，而对于三维水平井而言，轨迹的调整显得更加复杂，虽然大部分情况下也仅仅是垂深的调整，但意味着造斜率和装置角都有更高的要求，当垂深调整较多，而方位还未调整至设计方位时，容易出现造斜率不足，导致井眼轨迹失控的情况［8-10］。

因此需要对三维水平设计方法进行改进，而改进的方法只需要对井眼轨道构成进行适当的修改即可。根据研究分析，将井眼轨道剖面构成更改为六段制，即“直—增—稳—增（扭）—增—平”，在靶点之前设置一T点，在该T点将方位调整至与水平段方位一致，最后一个增斜段设计为低造斜率井段，即可克服油层垂深和造斜率不确定性导致的井眼轨迹控制困难，提高钻井成功率，如图1所示。

2.1 水平段及T点参数计算

Parameter calculation of horizontal section and pointT

要计算T点坐标参数，首先需要计算靶点连线的井斜角和方位角，如果为两个目标点的三维水平井，则水平段的井斜和方位计算相对就比较简单，如果为多目标三维水平井，设计时通常先取前两个目标点的连线，以简化计算［11］。T点参数计算步骤如下。

第一步：计算目标点连线的井斜角和方位角。设给定的目标点A、B的垂深、南北、东西坐标分别为：Da、Na、Ea和Db、Nb、Eb，则可计算 2 个目标点的井斜角a和方位角ϕ。

图1 三维水平井剖面设计图Fig. 1 3D horizontal well section design diagram

第二步：计算T点坐标。要计算T点坐标，需要先确定T点至第1目标点A的井眼曲率 ，该井眼曲率取决于油层垂深的不确定性和工具造斜能力的不确定性，且不确定性程度越高，则井眼曲率应当取得越低。由于T点至A点的方位角与A点一致，因此只需要再设置T点的井斜角度at或者垂深Dt，则可计算出T点坐标。以给定T点井眼曲率和井斜角度为例进行计算。

这样就可以计算出T点的垂深Dt、南北Nt和东西Et，ΔLat为T点至A点的井眼长度。

2.2 圆弧井段设计

Design of arc hole interval

计算出T点坐标之后，即可将轨道设计转换为“直—增—稳—增（扭）”四段轨道设计，除开直井段以外，分别由2个圆弧段和1个稳斜段构成，从而将设计转换为常用的简单思路。

图2所示为水平井中靶轨道的组成示意图。W点为造斜点，T点为前面所介绍的控制点；WC和DT为圆弧段，分别处在斜平面1和斜平面2上；CD为直线段，处在斜平面1和2的交线上，且分别与圆弧WC和DT相切。

图2 两个圆弧轨道组成示意图Fig. 2 Schematic components of two arc trajectories

假设直线段CD的井斜角、方位角和段长分别为am、ϕm和 ΔLm，则 2 个圆弧的狗腿角γ1、γ2分别为

圆弧段WC的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为

圆弧段DT的垂深D、南北坐标N、东西坐标E的增量分别为

不管T点和W点之间轨道如何组成，其各段的3个坐标增量之和应等于T点和W点之间各坐标值之差，即

方程组（15）就是水平井中靶轨道约束方程组。方程组（15）中独立未知变量只有am、ϕm和ΔLm3个，3个方程3个未知数正好可以确定唯一解，通过解方程即可求得am、ϕm和ΔLm3个变量，从而得到“增—稳—增（扭）”井段参数，再加上靶前井段剖面设计，即可得到六段制三维水平井轨道设计数据。

3 应用实例

Application case

JH17P25井是华北油气分公司部署在鄂尔多斯盆地伊陕斜坡南部构造的三维水平井，设计偏移距422 m，靶前位移762.23 m，设计目的层段为三叠系延长组长812组，由于断层较多，油层垂深不确定性较高，直接钻进水平井存在着较大的风险，又特别是三维水平井，一旦油层垂深出现较大偏差，则可能导致井眼轨迹失控，因此最初计划先钻进一口定向井作为导眼井，摸清油层垂深后再回填侧钻水平井。

后根据实际情况进行分析，该区块长7组地层底部为一套油页岩，且垂深较厚，具有较好的可识别性，进入长8地层后，长811为泥岩，大约厚度6.6 m，同时要求井眼轨迹进入长812地层4 m，因此在识别到油页岩底部之后尚有10.60 m垂深空间来调整轨迹，水平井施工操作性较强，最后决定直接钻进水平井。水平井设计轨道如表1。

由于该井是三维水平井，且偏移距达到422 m，因此井眼轨道设计进行了较多的考虑，首先采用斜面圆弧模型进行扭方位设计，增斜扭方位井段具体数据见表2。针对三维水平井施工难题，本井将井眼轨迹设计为六段制，提前90.5 m斜深（10 m垂深）将井眼轨迹方位调整至水平段方位，后续井段适当降低造斜率，为井眼轨迹调整留足空间。

根据表2绘制增斜扭方位井段主要参数变化图，如图3。从图3可知，1 291.92～1 638.91 m之间为增斜扭方位井段，该井段全角变化率保持稳定，为4.80（°）/30 m，井斜变化率为2.39～3.84（ °）/30 m，方位变化率为6.19～2.98（ °）/30 m，工具面为59.72～36.89°，体现出早期增斜少、扭方位多，后期增斜多、扭方位少的特征，即轨迹控制后期对方位调整的要求越来越低，逐渐演变为二维水平井，有利于现场井眼轨迹控制。

表1 井眼轨道优化设计数据Table 1 Well trajectory optimization design data

表2 增斜扭方位井段详细数据Table 2 Detailed data of buildup azimuth interval

图3 增斜扭方位井段参数变化Fig. 3 Parameter change of buildup azimuth interval

另一方面，该井提前靶点90.5 m斜深（10 m垂深）设置控制点T，在此位置将方位调整至靶点方位，而此控制点正好位于油页岩底界，根据计算，若在T点可以卡准油层深度，此时轨迹尚有较大的垂深调整空间，向上可以比设计垂深高4 m，如图4蓝色线条所示，向下可以比设计低6 m以上，如图4紫色线条所示，因此现场施工时一旦确定油页岩底界之后可以及时下达轨迹调整指令，确保顺利钻达油层并使得井眼轨迹处于合适位置。

图4 实钻轨迹垂深对比图Fig. 4 Vertical depth comparison of actual drilling trajectory

JH17P25井实际增斜扭方位井段1 273.91～1 635.11 m，增斜扭方位井段井斜40.50～76.00°，扭方位井段设计轨道和实钻轨迹最近距离均小于3.5 m，井眼轨迹符合率高，实钻效果好，如图5所示。同时实钻过程中采取了随钻伽马进行地层识别，并根据长7组油页岩情况对靶点垂深进行调整，实钻A点垂深低于设计4.91 m，轨迹控制满足地质油藏需要，实钻油层钻遇率95%，完钻压裂后初期产油量12 t/d，取得良好的应用效果。

图5 井眼轨迹水平投影Fig. 5 Horizontal projection of well trajectory

4 结论与建议

Conclusions and suggestions

（1）基于斜面圆弧法的六段制三维水平井设计，通过在靶点前增加一段造斜率较低的单增剖面，形成六段制三维水平井轨道设计，为油藏垂深和造斜率不确定提供预留空间，为三维水平井设计和施工提供了借鉴，值得进一步推广应用。

（2）JH17P25井完钻井深2 235 m，增斜扭方位井段长347 m，方位变化49.30°，实钻偏移距425 m，现场施工顺利，井眼轨迹符合率高，并且节约了导眼施工的周期和费用，取得了较好的应用效果。

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（修改稿收到日期 2017-07-20）

〔编辑 薛改珍〕

Optimization design and application of six-stage 3D horizontal well trajectory

XU Hao1, NIU Hongbo1, NIU Sicheng2, WANG Xiang2, SUN Ronghua3

1. Drilling Technology Research Institute,SINOPEC Shengli Oil field Service Corporation,Dongying257017,Shandong,China;
2. Engineering Technology Research Institute,SINOPEC Huabei oil and gas Co.,Ltd.,Zhengzhou450006,Henan,China;
3. Xinchun Oil Production Plant,SINOPEC Shengli Oil field Company,Dongying257001,Shandong,China

3D horizontal well technology is obviously predominant in solving the limited surface conditions of oil and gas reservoirs, improving the quality of well pattern arrangement, and increasing the overall development efficiency of oil and gas reservoirs. In this paper, four common 3D trajectory calculation models were analyzed, and accordingly the inclined plane circular arc method was selected as the 3D horizontal well calculation model. Then, the form of 3D horizontal well trajectory was optimized and the six-stage horizontal well design method was put forward to overcome two major uncertainty factors, i.e., the vertical depth of oil reservoir and the buildup rate. This method was applied in Well JH17P25, whose total depth is 2 235 m, offset 425 m, adjusting azimuth length 347 m and offset azimuth 49.30°. Its field construction is smooth with high trajectory coincidence rate and the uncertainty of oil reservoir vertical depth is overcome. Obviously, its application effect is good. It provides the valuable experience for the subsequent design and construction of 3D horizontal wells.

3D horizontal well; well trajectory; inclined plane circular arc; vertical depth of oil reservoir; uncertainty

∶

胥豪，牛洪波，牛似成，王翔，孙荣华.六段制三维水平井轨道优化设计与应用［J］.石油钻采工艺，2017，39（5）：564-569.

TE22

A

1000 – 7393（ 2017 ）05 – 0564 – 06 DOI∶10.13639/j.odpt.2017.05.006

国家科技重大专项“复杂地层钻井提速提效关键工具与装备”（编号：2016ZX05021-003）；中石化华北分公司“水平井三维轨道设计及配套技术研究”（编号：34550000-14-ZC0613-0037）。

胥豪（1982-），2014年毕业于长江大学油气井工程专业，现主要从事钻井工艺研究和特殊工艺井技术服务工作，高级工程师。通讯地址（：257017）山东省东营市北一路827号钻井工艺研究院钻井所。电话：0546-6383094。E-mail：xuhaoswpu@163.com

: XU Hao, NIU Hongbo, NIU Sicheng, WANG Xiang, SUN Ronghua. Optimization design and application of six-stage 3D horizontal well trajectory［J］. Oil Drilling & Production Technology, 2017, 39(5)∶ 564-569.